نگاهى به كاربردهاى نانوتكنولوژى در علوم زيستى

نانوتكنولوژى، فناورى جديدى است كه در ارتباط با كاربرد ذرات ريز در حد نانومتر قرار مى گيرد. به نظر مى رسد كه فناورى نانو در آينده در زمينه هاى گوناگونى مانند مواد، تجهيزات و سيستم ها توسعه چشمگيرى پيدا كند. در بين اين زمينه ها نانومواد، هم در عرصه توليد دانش و هم در جنبه هاى عرضه تجارتى از رشد و گستردگى بالاترى برخوردار شده است. در يك دهه قبل ذرات نانو به علت جذابيتى كه در مطالعه خواص فيزيكى آنها وجود داشت بيشتر مورد توجه قرار گرفت. لذا به اين دليل اين مواد در حال حاضر به صورت تجارتى در دسترس قرار گرفته اند. ارگانيسم هاى حياتى از سلول هايى تشكيل شده اند كه به طور كلى داراى ديواره هايى به ضخامت ميكرومتر هستند. اما اجزاى اين سلول ها بسيار ريزتر و در حد نانومتر هستند. برخى از پروتئين هاى درون سلول تقريباً نانومتر هستند، يعنى در حد كوچكترين ذرات ناتو ساخت دست بشر هستند. از اين مقايسه ابعاد چنين مى توان برداشت كرد كه برخى پروتئين ها را مى توان تحت كنترل قرار داد و يا به بيانى از اين ذرات به عنوان پروب هاى سلولى براى تحريك پروتئين ها استفاده نمود. در واقع كشف حقايق مربوط به فرآيندهاى بيولوژيك درون سلول ها در ابعاد نانو از مهم ترين علل تمايل و توجه به فناورى نانو و تحقيق و توسعه در اين زمينه است. قطع نظر از تمايلى كه به مطالعه خواص فيزيكى ذرات نانو وجود دارد، توجه به اثرات مغناطيسى و خواص نورى مربوط به ذرات نانو از مهم ترين زمينه هاى كاربرد اين ذرات به حساب مى آيند.

از طريق ذرات هيبريدشده نانو مى توان به ساختارهاى نوين با خواص جديد الكترونيكى، نورى _ الكترونيكى و ذرات هوشمند دست يافت. در اينجا در ابتدا به سابقه و كاربرد قبلى ذرات نانو در علوم زيستى و پزشكى مى پردازيم و سپس سعى مى نماييم تا تلاش هايى كه در اين زمينه در دست است عرضه شود و سپس به امكان رسيدن فرآورده هاى نانو به بازار مصرف خواهيم پرداخت. • كاربردهاى ذرات نانو در اينجا به برخى از كاربردهاى اين نوع ذرات در علوم زيستى و پزشكى اشاره مى شود. برخى از مهمترين آنها عبارتند از: كاربرد در داروسازى و ژن درمانى، تهيه ماركرهاى فلورسانس بيولوژيك، رديابى بيولوژيك عوامل بيمارى زا، رديابى پروتئين ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسى بافت، نابود كردن تومورها از طريق گرمايش سلولى (hyper thermia)، جداسازى و خالص نمودن مولكول هاى زيستى و سلول ها، ازدياد كنتراست (زمينه سازى) در تصويربردارى پزشكى (MRI) و نهايتاً مطالعه سرعت رفتارهاى سلولى و Phago-kinetic. همان طور كه اشاره شد توليد ذرات نانو در ابعاد پروتئين هاى سلولى سبب شده است تا از آنها به عنوان ماركرهاى زيستى استفاده شود. البته اندازه ذره براى موادى كه مى بايست در سيستم هاى بيولوژيك وارد و تاثيرگذار باشند شرط اول مطالعه است. لذا براى تماس موثر و تداخل با هدف هاى بيولوژيك و يا پوشش دادن مولكول هاى زيستى به منظور طراحى آنها به عنوان هدف هاى غيرآلى _ زيستى مى بايستى ذرات نانو را به طرز موثرى تهيه كرد تا قابليت برقرار نمودن اين نوع تداخلات و يا چسبيده شدن را داشته باشد. مثال اين نوع فعاليت ها در پوشش دادن آنتى بادى ها، بيوپليمرهاى شبيه كلاژن و يا پوشش دادن به ذرات ريزى كه مانند بيومواد عمل نمايند است. در عرصه فعال نمودن خواص نورى ذرات بيولوژيك، ذرات نانو مى بايستى كه توانمندى تغيير خواص نورى بيومواد را آنچنان داشته باشند تا بتوانند آنها را از نظر خواص فلورسانسى قابل رديابى نمايند. در هر صورت ذرات نانو مى توانند در تشخيص شكل سلول ها، رديابى فرآيند هاى سيگنالينگ، عمل آنتى ژن ها و به عنوان عوامل قابل اتصال (linkers) در علوم سلولى به كار برده شوند، غالباً نانو- ذرات به صورت يك هسته تشكيل دهنده از مواد بيولوژيك كه سطح آن با مواد ساده و يا تركيبات غير آلى و بيوپليمرى پوشش داده شود تشكيل شده است.

همچنين شكل ذرات نانو بيولوژيك مى تواند به صورت يك ريز ذره پوشش داده شده با يك غشا و يا لايه از مواد موثر وجود داشته باشد. ذرات به صورت كروى، استوانه اى، ديسك مانند و يا فرم هاى ديگرى مى تواند باشد. در مواردى كه ميزان نفوذ به درون لايه و غشاى خاصى مطرح باشد، سايز ذره و يا نوع توزيع ذرات نيز مى بايستى متناسب با جنبه كاربردى آن باشد. زمانى كه كنترل اندازه ذرات توسط روش هاى دقيقى مانند روش quantum- sized effects مى بايستى اندازه گيرى شود، سايز ذرات و نوع توزيع اندازه ذرات آن بسيار مهم خواهد بود. به طورى كه كنترل معدل اندازه ذرات مناسب و توزيع بسيار نزديك به هم سايز ذرات سبب نشر نور فلورسانس در يك باند باريك و بسيار قوى و حاصل جذب طول موج هاى مختلف در پهنه وسيع ترى از انواع طول موج ها مى شود. اين نوع توزيع مناسب و يكنواختى اندازه ذرات در تشخيص بيوماركرها از طريق ايجاد رنگ هاى مشخص كمك مى كند. در هر صورت هسته ذرات نانو مى تواند از لايه هاى مختلفى تشكيل شود و لايه هاى داراى خواص مغناطيسى و Luminescent كه هر دو در رديابى و تشخيص ذرات نانو كاربرد دارند به كار برده شوند. غالباً هسته ذرات نانو توسط پوشش هاى تك لايه اى از مواد غير فعالى مانند سيليكا پوشش داده مى شوند. مواد آلى مختلفى را مى توان روى اين سطوح سيليكايى سوار نمود، همچنين مى توان با نشاندن ساير مواد زيست سازگار بر روى اين سطوح آنها را به منظور خاص اصلاح ساختارى نمود. در هر صورت نشاندن و سوار كردن ساير Linker ها در اين موارد متداول است. در حال حاضر گروه هاى مختلفى از مواد وجود دارند كه بر روى سطح نانو- ذرات قابل سوار شدن هستند. آنتى بادى ها، مواد فلوروژنيك و ساير تركيبات زيست سازگار از اين قبيل هستند. • نوآورى هاى جديد «مهندسى بافت» جدار طبيعى استخوان ها داراى ضخامتى به ميزان نامتر است. اگر سطح يك ايمپلنت استخوان مصنوعى صاف و يكنواخت باشد، بدن آن را بعد از پيوند پس مى زند و نمى پذيرد. لذا سعى مى شود تا سطح نرم و صاف ايمپلنت استخوان هاى مصنوعى طورى همگون با فضاى مجوف بافت طبيعى تهيه شود. اين نوع طراحى سبب تماس كمتر بافت ايمپلنت با بافت اصلى بدن مى گردد و لذا احتمال نپذيرفتن پيوند كاهش مى يابد. در جراحى ها و استفاده از پروتز زانو و لگن نشان داده شده است كه با ايجاد ناهموارى هايى در ابعاد نانو در سطح ايمپلنت امكان ايجاد حالت تحريك استئوبلاست ها و يا پس زدن پروتز كاملاً كاهش مى يابد. استئوبلاست ها سلول هاى استخوان مسئول رشد و نمو استخوان ها هستند.

اين اثرات با به كار بردن مواد بيوپليمرى، سراميكى و مواد فلزى مورد تجربه واقع شده است. در آزمايشگاه توانسته اند بيش از درصد سلول هاى استخوانى انسان را با مواد فلزى نانو همراه نمايند. اما در عمل نمى توان بيش از درصد سلول ها را با مواد نانو همراه نمود. اين يافته ها سبب خواهد شد تا در اعمال جراحى تعويض زانو و استخوان لگن از ايمپلنت هاى با طول اثر بيشتر و ماندگارى بالاتر استفاده شود. تيتانيوم يك ماده كاملاً شناخته شده اى است كه در ارتوپدى و دندانپزشكى كاربرد دارد. اين ماده به علت سبك بودن با قابليت مقاومت بالايى كه در برابر شكستگى دارد براى سوار شدن روى استخوان ها مناسب است. اما متاسفانه معايبى نيز دارد. در عوض آپاتيت ماده اى است كه كاملاً بيواكتيو است و به استخوان نيز به راحتى متصل مى شود. لذا در گذشته تلاش ها و تكنيك هاى زيادى براى پوشش دادن تيتانيوم با آپاتيت انجام شده است. البته اين نوع مواد حاصل از پوشش دادن ها نيز خود از عدم مزيت هايى مانند عدم ضخامت يكنواخت پوشش آن و عدم مقاومت در برابر شكستگى ها برخوردار است. ساختار متخلخل و مجوف پروتز ها براى انتقال مواد لازم براى رشد سلول ها ضرورى به نظر مى رسد، استخوان به طور طبيعى يك ماده نانوكامپوزيتى است كه از كريستال هاى هيدروكسى آپاتيت درون يك ماتريكس آلى و سرشار از كلاژن تشكيل شده است. خوشبختانه جنس استخوان طورى است كه در واقع محكم و داراى خواص پلاستيك است و اين امر سبب مى شود تا در صدمات مكانيكى قابليت ترميم را داشته باشد. هنوز مكانيسم دقيق عملكرد نانومواد كه دقيقاً شبيه استخوان عمل نمايند به طور مشخص روشن نيست. نوعى مواد تلفيق شده ذرات سراميكى و پلى متيل متاآكريلات به صورت كوپليمر ارائه شده است. به طورى كه توانسته اند از اين ماده يك حالت رفتارى ويسكوالاستيك شبيه دندان هاى طبيعى انسان را ببينند.

با استفاده از اين ماده توانسته اند مقاومت روكش هاى دندانى را در برابر ساييدگى و گرما افزايش دهند. • درمان سرطان روش درمان فتوديناميك سرطان بر مبناى نابود كردن سلول هاى سرطانى و بر مبناى توليد اكسيژن هاى اتمى كه سيتوتوكسيك است انجام مى شود، سلول هاى سرطانى رنگ هاى حاوى مواد توليد كننده اكسيژن هاى اتمى را نسبت به سلول هاى سالم بيشتر برداشت مى كنند. لذا سلول هاى سرطانى فقط در معرض تابش اشعه ليزر قرار خواهند گرفت. اما مقادير باقى مانده از رنگ هاى درمانى توليد كننده اتم هاى اكسيژن فعال متاسفانه به سطح پوست و چشم ها رسيده و سبب مى شوند تا بيماران نسبت به در معرض قرار گرفتن در مقابل نور حساسيت نشان بدهند. به منظور جلوگيرى از اين عارضه ناخواسته مولكول هاى رنگ اصلاح شده و با خواص آب گريزى بيشتر به درون نانوذرات متخلخل قرار داده مى شوند. به اين ترتيب رنگ درون ذرات نانو باقى مى ماند و مانع از دسترس قرار گرفتن در سطح سلول ها مى شود. اما خاصيت توليد اتم اكسيژن آن ثابت باقى مى ماند. لذا با تابش اشعه ليزر اتم هاى اكسيژن توليد شده شروع به خروج از محفظه هاى يك نانومترى ذرات نانو مى نمايند. • سيستم كد رنگ هاى مجزا براى تشخيص هاى بيولوژيك با پيشرفت هايى كه در زمينه ژنوميكس و پروتئوميكس صورت گرفته هر روز به تعداد ژن هايى كه كشف مى شوند افزوده مى شود. لذا نياز به سرعت در تشخيص افزايش مى يابد. زمانى كه تعداد آزمايشات بر مبناى عوامل تاثير گذار متجاوز از هزاران فاكتور باشد، سرعت تشخيص مى بايستى از فناورى هاى پيشرفته داراى سرعت عمل زياد برخوردار باشد.

به كمك سيستم باركد ذرات محلول پليمرى و بر مبناى روش هاى سه بعدى نورسنجى شايد بتوان با كمك عوامل مشخص برخى از رديابى ها را انجام داد. به كمك نقطه هايى كوانتومى (quantum dots) مربوط به تركيبات نيمه هادى ها اخيراً رديابى جديدى به جاى رنگ سنجى انجام شده كه اصطلاحاً به نام كاربرد برچسب هاى بيولوژيك boi-tagging ناميده مى شود. اين تكنيك با يك گام بالاتر تلفيقى از اندازه ذرات متفاوت و نقاط كوانتومى داراى فلورسانس مشخص را با هم در نانوذرات پليمرى به خدمت گرفته است. در اين روش شش نوع رنگ و با شدت متفاوت به دست مى آيد و از مقايسه آنها با نقاط كوانتومى شاهد مى توان به خواص مواد پى برد. • كاربرد مولكول هاى زيستى در سلو ل ها اخيراً نانوذرات مغناطيسى كاربرد هاى جالبى در زمينه جداسازى سلول ها و تشخيص آنها يافته اند. اكثر ذرات مغناطيسى نانو كه به اين منظور تهيه شده اند كروى شكل هستند. در مقابل ذرات مستطيل شكل را نيز مى توان به كمك نانوذرات و آلومينا تهيه كرد. با درك بيشتر از شيمى سطوح در مورد اتصال برقرار كردن ذرات فلزى مى توان آنها را بر روى عوامل مختلف مستقر كرد. به طور مثال پورفيرين ها را مى توان به كمك اتصال دهنده هاى داراى گروه تيول و يا كربوكسى با فلزاتى مانند نيكل و يا طلا متصل كرد. به اين ترتيب مى توان رشته سيم هاى مغناطيسى حاوى نانو ذرات كه خواص فلورسانس داشته باشند را تهيه كرد. به علت كوچك بودن سطح اين نانو ذرات قدرت ميدان مغناطيسى آنها بسيار بالا خواهد بود. بنابراين با اعمال ميدان مغناطيسى بسيار ضعيفى آنها را مى توان به حركت درآورد. به طورى كه نشان داده شده است جهت و حركت اين رشته هاى مغناطيسى نانو را مى توان به كمك كمترين ميدان مغناطيسى تغيير داد. با اين فرايند شايد بتوان شكل سلول ها را تغيير داد.

• رديابى پروتئين ها پروتئين ها بخش مهمى از ساختار سلول هستند و دريافت نحوه عملكرد آنها براى بشر بسيار مهم است. نانوذرات طلا به طور گسترده اى براى شناسايى تداخل پروتئين- پروتئين مهم است. روش هاى موجود براى دنبال كردن ساختارهاى پروتئين زياد نيستند. روش اسپكتروسكوپى رامان براى رديابى پروتئين ها يك روش متداول است. با به كارگيرى هر دو روش با هم شايد بتوان رديابى پروتئين ها را با دقت بيشترى انجام داد. در حال حاضر با فناورى نانوذراتى از طلا به ابعاد نانومتر و با روكش اوليگونوكلئوتيدى تهيه شده اند كه قابليت رديابى را دارند. اگر اين ذرات در مجاورت نقره و هيدروكينون قرار گيرند قابليت آن را خواهند يافت تا در رديابى توسط ميكروسكوپ رامان مشاهده شوند. قطع نظر از قدرت تشخيص برخى از مولكول هاى كوچك چنانچه اين ذرات با آنتى بادى هاى اختصاصى نيز همراه باشند قابليت اتصال به پروتئين هاى اختصاصى را خواهند يافت. • كشفيات قابل دسترس و آينده برخى از شركت ها يافته هاى خود را در زمينه نانوفناورى در دسترس ديگران قرار داده اند. اغلب اين شركت ها نانوفناورى را به منظور دارورسانى نوين براى داروها استفاده مى كنند. برخى از آنها نانوكريستال هاى نيمه هادى را براى تهيه برچسب هاى بيومولكولى استفاده كرده و برخى احياناً براى تهيه متصل شونده هاى بيولوژيك به همراه نانوذرات طلا براى مشخص كردن اجزاى سلولى تلاش كرده اند.

تعدادى از شركت ها نيز در تهيه بيومواد نانوسراميكى براى مهندسى بافت و يا تهيه پروتزهاى ارتوپدى فعاليت مى كنند. اغلب شركت هاى دارويى در زمينه دارورسانى نوين و تهيه فرمولاسيون هايى از نانوذرات تلاش كرده اند. نقره كلوئيدى به طور گسترده در تهيه عوامل ضدميكروبى در فرمولاسيون ها همراه پوشش ها استفاده شده است. همچنين ذرات تيتان نيز كه توسط تابش خودبه خودى آن و يا تاثير تابش ماوراى بنفش فعال شوند به منظور استفاده از اثر ضدميكروبى آنها در فيلترها استفاده شده است. علاوه بر اين از خواص سطوح فعال سراميك هاى نانو و يا فلزاتى از قبيل پلاتين براى از بين بردن توكسين ها و يا مواد آلى كشنده ديگر استفاده شده است. در حال حاضر نقطه عطف توجه فناورى نانو در علوم زيستى بيشتر در زمينه دارورسانى است. همچنين توجه خاصى به همراه كردن داروها با برخى از نانوپروب ها به منظور دارورسانى ضدسرطان عليه تومورها و يا نابودسازى آنها وجود داشته است. به نظر مى رسد كه تلاش هاى آتى براى هدايت از راه دور فعال سازى نانو مواد توسط برخى از روش هاى سيگنالينگ براى تهيه نانو وسيله ها جهت گيرى شده باشد